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MOS管被esd擊穿的解決方案

來源: 電子產品世界
2020-10-14
類別:設計應用
eye 21
文章創建人 拍明

原標題:MOS管被esd擊穿的解決方案

一、了解ESD對MOS管的危害機制

靜電放電(ESD)是指不同靜電電位的物體靠近或直接接觸引起的電荷轉移。MOS管由于其特殊的結構,柵極氧化層非常薄,通常只有幾納米到幾十納米,對電壓極為敏感。當ESD發生時,會在極短的時間內產生高電壓和大電流,這個高電壓很容易擊穿MOS管的柵極氧化層,導致柵極和源極或漏極之間短路,使MOS管失效。

二、預防措施

  1. 電路設計防護

    • 添加TVS二極管:瞬態電壓抑制二極管(TVS)是一種高效的保護器件。它具有極快的響應時間和很低的鉗位電壓。當ESD事件發生時,TVS二極管能夠在極短的時間內(皮秒級)導通,將ESD產生的高電壓鉗位在一個安全的水平,從而保護MOS管不受損壞。例如,在MOS管的柵極與源極之間并聯一個TVS二極管,當柵極受到ESD沖擊時,TVS二極管迅速導通,把過高的電壓限制在柵極氧化層所能承受的范圍內。

    • 使用RC濾波電路:RC濾波電路由電阻(R)和電容(C)組成。電阻可以限制ESD電流的幅度,電容則可以吸收部分ESD能量。將RC濾波電路串聯在MOS管的輸入端,當ESD來襲時,電阻會阻礙電流的快速變化,電容則起到儲能和緩沖的作用,降低ESD對MOS管的沖擊。例如,選擇合適的電阻值(如幾百歐姆到幾千歐姆)和電容值(如幾十皮法到幾百皮法),可以有效保護MOS管。

    • 采用ESD保護芯片:市場上有專門針對ESD防護的芯片,這些芯片內部集成了多種保護電路,如TVS二極管陣列、齊納二極管等。它們具有更高的集成度和更好的保護性能,能夠提供更全面的ESD防護。根據不同的應用場景和需求,選擇合適的ESD保護芯片,將其連接在MOS管的輸入輸出端口,可以有效防止ESD對MOS管的損壞。

  2. PCB設計優化

    • 合理布局布線:在PCB設計中,應盡量縮短MOS管與保護器件之間的走線長度,減少走線的寄生電感和電阻。因為寄生電感和電阻會在ESD發生時產生額外的電壓降,增加MOS管受到的電壓應力。同時,要避免走線形成環路,以減少電磁干擾和ESD的影響。例如,將TVS二極管盡量靠近MOS管的柵極引腳放置,走線寬度可以適當加寬,以降低電阻。

    • 增加接地過孔:良好的接地是防止ESD損壞的關鍵。在PCB上增加接地過孔的數量,可以使ESD電流更快地泄放到地,降低ESD對電路的影響。特別是在MOS管周圍和信號輸入輸出端口附近,應多布置接地過孔。例如,在MOS管的每個引腳附近都設置一個或多個接地過孔,確保ESD電流能夠迅速被引導到地。

    • 設置隔離帶:對于敏感的MOS管電路,可以在其周圍設置隔離帶,將敏感電路與其他可能產生ESD的電路部分隔離開來。隔離帶可以采用地線或電源線環繞的方式,減少ESD的耦合和干擾。

  3. 生產與操作防護

    • 防靜電工作區(EPA)建設:在生產車間和操作環境中,建立防靜電工作區。EPA內應配備防靜電地板、防靜電工作臺、防靜電手環、防靜電鞋等設施。工作人員在進入EPA時,必須正確佩戴防靜電裝備,確保人體靜電能夠及時泄放,避免對MOS管等敏感元件造成ESD損傷。

    • 元件包裝與運輸防護:在MOS管的包裝和運輸過程中,應使用防靜電包裝材料,如防靜電袋、防靜電泡沫等。這些材料可以有效地防止外界靜電對MOS管的影響。同時,在運輸過程中要避免劇烈震動和碰撞,防止元件因機械應力而產生靜電積累。

    • 操作規范培訓:對生產、維修和測試人員進行防靜電操作規范培訓,使其了解ESD的危害和防護方法。在操作過程中,要嚴格按照規范進行,如先接地再拿取元件、避免直接用手觸摸元件引腳等。

三、擊穿后的處理措施

  1. 檢測與判斷

    • 外觀檢查:首先對被懷疑ESD擊穿的MOS管進行外觀檢查,查看是否有明顯的燒毀、變形、引腳斷裂等物理損傷跡象。但需要注意的是,有些ESD擊穿可能不會在外觀上留下明顯的痕跡。

    • 電氣測試:使用萬用表、示波器等測試設備對MOS管進行電氣性能測試。測量柵極與源極、柵極與漏極、源極與漏極之間的電阻值,正常情況下,柵極與源極、柵極與漏極之間的電阻值應該非常大(接近無窮大),源極與漏極之間的電阻值則根據MOS管的導通狀態而定。如果發現電阻值異常,如柵極與源極或漏極之間短路,則說明MOS管可能已被ESD擊穿。

  2. 更換損壞元件
    如果經過檢測確定MOS管已被ESD擊穿,需要及時更換新的MOS管。在更換過程中,要注意以下幾點:

    • 選擇合適的替代元件:確保新更換的MOS管參數與原元件相匹配,包括耐壓值、電流容量、導通電阻等。如果參數不匹配,可能會影響電路的正常工作。

    • 焊接操作規范:在焊接新MOS管時,要控制好焊接溫度和時間,避免因焊接不當對元件造成二次損壞。同時,要注意焊接質量,確保引腳焊接牢固,無虛焊、短路等問題。

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四、案例分析

  1. 案例背景:某電子設備生產廠家在生產一款便攜式電子產品時,發現部分產品在測試過程中出現故障,經排查發現是MOS管被ESD擊穿導致。

  2. 問題分析:通過對生產過程的調查和分析,發現生產車間沒有建立完善的防靜電工作區,工作人員在操作過程中沒有正確佩戴防靜電手環,且PCB設計上沒有采取有效的ESD防護措施,導致MOS管在生產過程中容易受到ESD的沖擊。

  3. 解決方案

    • 改進生產環境:建立防靜電工作區,配備齊全的防靜電設施,并對工作人員進行防靜電操作規范培訓,確保生產過程中的靜電防護。

    • 優化PCB設計:在MOS管的輸入輸出端口添加TVS二極管進行ESD防護,合理布局布線,增加接地過孔數量,減少ESD對MOS管的影響。

  4. 效果驗證:采取上述措施后,對該產品進行了重新生產和測試,發現MOS管被ESD擊穿的問題得到了有效解決,產品的良品率顯著提高。

通過以上多種解決方案的綜合應用,可以有效預防MOS管被ESD擊穿,提高電子設備的可靠性和穩定性。


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標簽: MOS管

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